吸收式热泵对热电联产机组的降耗作用

舒 斌，刘舒巍，贺国念

(国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401122)

习近平总书记在2020年9月22日召开的联合国大会上庄严承诺：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和。”众所周知，燃烧化石能源是二氧化碳产生的主要途径，我国能源结构中，煤炭仍然占60%左右。据统计，截至2020年末，我国火力发电装机总容量约12亿千瓦，在该背景下，火力发电企业深入做好节能降耗工作即是履行“碳达峰、碳中和”承诺的有效手段之一。在火力发电厂中，特别是在具有集中供热需求的热电联产电厂中，吸收式热泵供热技术得到了广泛应用，即通过设置热泵装置回收汽轮机冷端排汽余热，同时将回收的热量作为集中供热热源，热泵技术使机组综合热效率得到了提高，同时还产生了较好的经济效益。在不进行机组扩容改造的条件下，若输出相同供热负荷，可减少煤炭的使用量，相当于机组煤耗下降，成本降低。本文针对热电联产机组，从供热角度分析吸收式热泵技术的“降耗”作用，从而加深对该技术的理解，便于更好地将其应用于节能减排实践，同时也期望起到抛砖引玉作用，助推火电企业 “深度挖潜”和“节能降耗”工作的开展，为早日实现“碳中和”目标做出努力。

1 供热机组煤耗计算原则和方法

1.1 煤耗计算原则

煤耗是考核火电机组运行性能好坏的主要指标之一，计算方法归纳起来主要有以下3种：热量法、实际焓降法和分析法[1-5]。

根据“大火规”和电力行业相关规范的规定，我国火力发电企业对发电及供电煤耗的计算方法采用热量法[6-8]，热量法建立在热力学第一定律基础之上，是从热能“量”的观点来分配总热量的，即按照热电厂生产电能的数量比例来分配，发电耗热量等于总输入热量减去总输出热量，是属于“好处归电”的分配方法。该方法被大多数研究人员和工程技术人员采用。

严格意义上而言，火电厂煤耗应先通过正平衡算法计算，再利用反平衡算法进行数据修正和校核。但随着火力发电企业节能减排工作的进一步需要，反平衡算法计算煤耗因能够便捷、直观地反映火力发电企业的能耗状况特点[9]，被更多的企业采纳和应用于生产统计。因此，本文通过反平衡算法来分析采用热泵回收汽轮机冷端排汽余热后对机组煤耗的影响。

1.2 煤耗计算方法

供热比是热电联产机组计算热耗、煤耗的重要技术指标之一，即汽轮机向外供出的热量与输入总热量之比，即

(1)

式中：αr为供热比，%；Qgz为汽轮机供热量，GJ/h；Qz为汽轮机输入热量，GJ/h。

结合供热比和机组发电量可求得汽轮机发电热耗量，即

(2)

式中：Hr为汽轮机发电热耗，kJ/(kW·h)；Wf为汽轮机发电量，kW·h。

发电煤耗和供电煤耗计算公式分别为

(3)

(4)

式中：bfd为发电煤耗，g/(kW·h)；bgd为供电煤耗，g/(kW·h)；ηgl为锅炉效率，%；ηgd为管道效率，%；rn为厂用电率，%。

机组直接抽汽供热示意图如图1所示。

图1 机组直接抽汽供热示意图

2 接带热泵后供热机组煤耗分析

2.1 热泵余热回收原理

在热电联产电厂中，热泵通常采用的是以蒸汽驱动的吸收式热泵装置，其中以增热为目的的热泵被称为第一类吸收式热泵。其基本工作原理为：利用少量的高温热源，产生大量的中温有用热能，即利用高温热能驱动，回收低温热源的热能并提高到中温，从而提高热能的利用效率。第一类吸收式热泵的性能系数(即COP值)大于1，范围一般为1.5～2.5。吸收式热泵使用的工质为LiBr—H2O或NH3—H2O，但大多为LiBr—H2O，其中溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂。热泵升温能力ΔT一般为30～50 ℃，输出的最高温度不超过150 ℃。原理如图2所示。

图2 吸收式热泵原理图

如图2 所示，吸收式热泵机组本体主要由吸收器、蒸发器、发生器、冷凝器、溶液热交换器及溶液泵等辅助部分构成，机组内部需维持高度真空状态，由设置的真空抽气装置抽除热泵内的空气等不凝性气体。

热电联产机组的工艺基本流程是，设置单独的吸收式热泵系统，系统包括热泵机房、高温驱动热源(蒸汽)、低温热源(循环冷却水、乏汽)、疏水系统等部分，即利用汽轮机采暖供热蒸汽作为驱动热源(热负荷Q1)，回收循环冷却水(或乏汽)热量(余热负荷Q2)，通过热泵的增热作用对外供出Q1+Q2的热量。热泵内部包含了溶液循环和热力循环两层循环，即溶液循环为能量的转移提供载体，热力循环则实现能量的转移和品质提升。

2.2 接带热泵后供热机组的煤耗分析

在常规抽汽供热基础上，热电联产供热机组接带热泵后，将回收的汽轮机冷端排汽余热作为集中供热热源向热力网输出，据“热量法”理论，在不新增化石燃料输入的条件下，获得了更多的热能输出，相当于降低了汽轮机发电热耗，使得发电煤耗大幅下降。图3是机组接带热泵的供热流程图。

图3 热泵回收余热流程图

接带热泵后的机组供热比，应为原直接抽汽供热负荷加上热泵回收的余热负荷与机组总输入热的比值，即

(5)

汽轮机综合能效计算公式及简化公式分别为

(6)

(7)

式中：η′为接带热泵后综合能效，%；η为未接带热泵综合能效，%；Q′为热泵回收的汽轮机余热，GJ/h。

据式(5)和式(7)，不论能效是供热比还是汽轮机综合能效，机组在接带热泵后能效都大于未接带热泵的情况。因此可以推定，机组在发电负荷基本不变的情况下，会因接带热泵增大供热输出，从而使得发电热耗下降、机组能效提升，煤耗下降。

3 案例分析

3.1 项目概况

某热电联产集中供热电厂，安装有2台同型的125 MW湿冷机组，汽轮机规格：高压、单轴、双排汽、双抽反动式、凝汽式汽轮机，型号为CC125-9.5/1.3/0.25。项目设计方案为：两台汽轮机的采暖供热蒸汽作为吸收式热泵高温驱动热源(互为备用)；其中一台机组的循环冷却水余热作为低温热源(另一台备用)；热网循环水回水先进入热泵，升温后再进入尖峰加热器。图4为项目现场实景图。图5为项目设置吸收式热泵系统工艺流程示意图，以下结合工艺流程项目运行数据分析。

图4 项目现场实景

图5 某125 MW热电联产机组热泵供热系统示意图

3.2 降耗分析

表1为125 MW汽轮机接带热泵后机组运行主要数据统计表。

表1 机组主要运行数据表

结合表1机组运行数据，全厂主要经济性指标计算对比如表2所示。

表2 全厂主要技术经济指标对比

据表2，机组在接带热泵后，供热条件下，供热比由30.68%提高至38.66%，全厂总的热效率由63.5%进一步提高至71.46%，全厂供电煤耗综合下降约35.72 g/ (kW·h)，可折算出单台机组煤耗下降可达70 g/(kW·h)。由以上指标折算，年可实现节约标煤3.2万t、同比减排二氧化碳8.5万t。可见热泵对热电联产机组的节能降耗作用非常明显。

4 结论

吸收式热泵技术应用于火力发电厂热电联产供热机组，通过回收汽轮机冷端排汽热提高了机组供热比，按“热量法”原理，相当于降低了机组发电热耗，降低了冷端损失，从而实现煤耗大幅下降。本文结合某厂125 MW热电联产机组设置吸收式热泵的具体案例，很好地验证了上述结论，即热泵技术是一项可应用于火电厂的经济、适用、高效的节能减排技术，值得大力推广应用。